Volcanic ash, pumice and Moringa oleifera (M. oleifera) were investigated as indigenous materials for removal of natural organic matter (NOM) at Kampala and Masaka water treatment plants in Uganda. Coagulation and filtration experiments were done using raw water at Kampala (Ggaba) and Masaka (Boma) National Water &amp; Sewerage Corporation water treatment plants. Assessment of the two plants was done and they were found to be faced with differing challenges given the nature of their raw water sources. Therefore, the study was conducted to seek appropriate treatment processes that suite the conditions at the respective plant and avoid or minimize formation of unwanted chlorination by-products. The results from the study indicated that there were both operational and design handicaps at the Ggaba treatment plant with a need to modify the filtration and clarification units. At Masaka, pre-chlorination led to increases in total trihalomethanes as high as 4000%. The characterization studies indicated the major fraction of NOM to be hydrophilic and there was no variation in the character of NOM along the unit treatment processes investigated. On the other hand experiments conducted at both the pilot and laboratory scale gave promising results. Simple horizontal flow roughing filter at Masaka gave rise to dissolved organic carbon (DOC) and ferrous iron removals of 27% and 89% respectively. With a combined use of pumice and hydrogen peroxide in the filter, DOC removals of up to 68% were achieved. The results from jar test experiments also indicated that use of alum with M. oleifera coagulant extracted with sodium chloride solution as coagulant aid is promising as a first stage in the treatment train for waters with a humic materials and high content of iron, typical of swamp water sources. Therefore the findings show that it is possible to avoid the formation of unwanted by-products by application of roughing filtration with hydrogen peroxide in place of the pre-chlorination process. Assessment of the characteristics of the volcanic ash showed that it meets the requirements for a filtration material; and results obtained from the pilot study showed that it was a suitable alternative material for use in a dual media filtration system. There was an increase in the filter run length of about two and half fold in the dual media filtration column compared to the mono medium column. / Vulkanaska, pimpsten och Moringa oleifera (M. oleifera) undersöktes som inhemska material for borttagande av naturligt organiskt material (NOM) i Kampala och Masaka reningsverk i Uganda. Koagulation och filtreringsexperiment gjordes med hjalp av råvatten i Kampala (Ggaba) och Masaka (Boma)reningsverk, som ingår i Nationella Vatten- och avloppsreningsverk, ett företag i Uganda. En bedömning av de två anläggningarna gjordes och det visade sig stå inför olika utmaningar på grund av de olika råvattnens karaktär. Den här studien genomfördes för att söka lämpliga processer för behandling av anpassade till förhållandena vid respektive anläggning samt för att undvika eller minimera uppkomsten av olika klorerade biprodukter. Resultatet från studien visade att det fanns problem både när det gäller design och arbetsrutiner på reningsverket Ggaba med ett behov att ändra filtrerings- och klarningsenheternaI Masaka ökade förkloreringsprocessen den totala mängden trihalometaner med 4000 %. Karakteriseringen av naturligt organiskt material (NOM) visade på en stor andel hydrofilt material och att ingen förändring av det organiska materialets karaktär skedde längs den undersökta processenheten. Å andra sidan visade både laboratorieförsök och experiment i pilotanläggningen att lovande resultat. Ett enkelt horisontellt flöde genom ett grovt filter i pilotanläggningen i Masaka resulterade i 89% mindre järn och 27% mindre NOM. Med en kombination av pimpsten och väteperoxid i filtret var avlägsnandet av löst organiskt material(DOC) från vattnet 68%. Resultaten från batchexperiment (jar test) i laboratoriet visade också lovande resultat för aluminium tillsammans med en koagulant extraherad med natriumklorid från Moringa oleifera (MOC-SC), som ett första steg för vatten från sumpmark med höga halter av järn och organiskt material. Således visar resultaten att det går att undvika bildandet av höga halter av trihalometan (THM) genom genom tillämpning av grovfitrering med väteperoxid i stället för förkloreringsprocessen. Utvärderingen av vulkanaskans egenskaper visade att vulkanaskan uppfyller kraven på ett filtermaterial och resultaten från pilotanläggningen visade att det är ett lämpligt material i ett filtreringssystem med två media. Den utnyttjade delen av filtret var 2,5 gånger längre i körningen med dubbla medier jämfört med ett medium. / <p>QC 20120910</p> / MAKERERE – Sida/SAREC RESEARCH COLLABORATION

Gases and particles released by volcanoes pose a serious hazard to humans and society. Emissions can be transported over long distances before being reduced to harmless concentrations. Knowing which areas are, or will be, exposed to volcanic emissions is an important part inreducing the impact on human health and society. In this thesis, the dispersion of volcanic emissions is studied using a set of atmospheric models. The work includes contribution to the development of the Lagrangian Particle Dispersion Model FLEXPART-WRF. Three case studies have been performed, one studying potential ash emissions from potential future eruptions on Iceland, a second covering SO2 emissions from Mt. Nyiragongo in D.R. Congo, and a third studying the SO2 emission rate of the Holuhraun eruption (Iceland) in 2014–2015. The first study covers volcanic ash hazard for air traffic over Europe. Three years of meteorological data are used to repeatedly simulate dispersion from different eruption scenarios. The simulations are used to study the probability of hazardous concentrations in ash in European airspace. The ash hazard shows a seasonal variation with a higher probability of efficient eastward transport in winter, while summer eruptions pose a more persistent hazard. In the second study, regional gas exposure around Mt. Nyiragongo is modelled using flux measurements to improve the description of the emission source. Gases are generally transported to the north-west in June–August and to the south-west in December–January. A diurnal variation due to land breeze around lake Kivu contributes to high concentrations of SO2 along the northern shore during the night. Potentially hazardous concentrations are occasionally reached in populated areas in the region, but mainly during the nights. The third study uses inverse dispersion modelling to determine the height and emission rates based on traverse measurements of the plume at 80–240 km from the source. The calculated source term yields better agreement with satellite observations compared to commonly used column sources. The work in this thesis presents improvements in dispersion modelling of volcanic emissions through improved models, more accurate representation of the source terms, and through incorporating new types of measurements into the modelling systems. / Gas- och partikelutsläpp från vulkaner utgör en fara för människor och för vårt samhälle. Utsläppen kan transporteras över långa avstånd innan de reduceras till oskadliga halter. Att känna till vilka områden som utsätts för, eller kommer utsättas för, utsläppen är ett viktigt verktyg föratt minska påverkan på folkhälsa och samhälle. I avhandlingen studeras spridningen av utsläpp från vulkanutbrott med hjälp av en uppsättning numeriska atmosfärsmodeller. Den Lagrangiska Partikelspridningsmodellen FLEXPART-WRF har förbättrats och applicerats för spridningsmodellering av vulkanutbrott. Tre studier har utförts, en fokuserar på vulkanaska från potentiella framtida utbrott på Island, den andra studerar SO2-ustläpp från vulkanen Nyiragongo i Demokratiska Republiken Kongo, och den tredje studerar SO2-ustläpp från utbrottet i Holuhraun (Island) 2014–2015. Den första studien uppskattar sannolikheten för att vulkanaska från framtida vulkanutbrott på Island ska överskrida de gränsvärden som tillämpas för flygtrafik. Tre år av meteorologisk data används för att simulera spridningen från olika utbrottsscenarier. Sannolikheten för skadliga halter aska varierar med årstid, med en högre sannolikhet för effektiv transport österut under vintermånaderna, sommarutbrott är istället mer benägna att orsaka långvariga problem överspecifika områden. In den andra studien undersöks spridningen av SO2 från Nyiragongo över en ettårsperiod. Flödesmätningar av plymen används för att förbättra källtermen i modellen. Gaserna transporteras i regel mot nordväst i juni–augusti och mot sydväst i december–februari En dygnsvariation, kopplad till mesoskaliga processer runt Kivusjön, bidrar till förhöjda halter av SO2 nattetid längs Kivusjöns norra kust. Potentiellt skadliga halter av SO2 uppnås av och till i befolkade områden men huvudsakligen nattetid. Den tredje studien utnyttjar inversmodellering för att avgöra plymhöjd och gasutsläpp baserat på traversmätningar av plymen runt 80–240 km från utsläppskällan. Den beräknade källtermen resulterar i bättre överensstämmelse mellan modell- och satellitdata jämfört med enklare källtermer. Arbetet i den här avhandlingen presenterar flertalet förbättringar för spridningsmodellering av vulkanutbrott genom bättre modeller, nogrannare beskrivning av källtermer, och genom nya metoder för tillämpning av olika typer av mätdata.

Betong är ett av världens mest använda byggnadsmaterial, men kan också vara en stor miljöbov. Cementklinker är en betydande beståndsdel i betong som vid tillverkning frigör stora mängder koldioxid, av den anledningen optimeras betongrecept idag genom att ersätta en del av cementen med flygaska som är en restprodukt från kolkraftsindustrin. I takt med att samhället rör sig mot en fossilfri produktion beräknas tillgången till flygaska att avta och material med liknande egenskaper undersöks som alternativa bindemedel i betong.  Syftet med studien är att, genom litteraturstudier och laboratoriska tester, undersöka huruvida naturliga puzzolaner kan ersätta mängden flygaska i en cementsammansättning utan att försämra betongens hållfasthetsegenskaper. Tryckhållfastheten samt hållfasthetsutvecklingen har undersökts hos 150x150x150 mm provkuber med varierande mängd flygaska samt vulkanaska av isländsk pimpsten respektive jordanska tuffer. Målet med studien är att minska mängden, eller helst ersätta hela andelen flygaska i en klimatförbättrad betongsammansättning.  De laboratoriska testerna har utförts enligt svensk standard där totalt 48 provkroppar gjutits. Referenskuben i undersökningen består av 80% portlandkalkstencement och 20% flygaska. Totalt har 6 olika kombinationer av provkuber gjutits där andelen flygaska ersätts med 20%, 15% eller 10% vulkanaska. Vardera provkub har utsatts för tryckhållfasthetsmätning efter 2, 7 samt 28 dygn.  Resultatet av provtryckningen visade att provkuberna innehållande isländsk pimpsten gav en ökad eller oförändrad hållfasthet vid samtliga mätningar, jämfört med referenskuben. Provkuberna innehållande jordanska tuffer medförde däremot en reducering av hållfastheten vid samtliga mätningar, jämfört med referenskuben. Provkuberna innehållande vulkanaska från isländsk pimpsten gav högst sluthållfasthet då ingen flygaska förekom i sammansättningen och något sämre värden vid inblandning av flygaska, till skillnad från provkuberna innehållande vulkanaska från jordanska tuffer som utan flygaska i princip stannade av i sin hållfasthetstillväxt efter 7 dygn. Skillnaden i resultatet mellan vulkanaska av pimpsten respektive tuffer antyder att vilken typ av material det är samt dess ursprung har betydelse för hur det presterar som bindemedel i betong. / Concrete is one of the most widely used building materials in the world, but it can also be a major environmental culprit. Cement clinker is a significant component of concrete that releases large amounts of carbon dioxide during production. For this reason, concrete recipes are now optimized by replacing some of the cement with fly ash, which is a byproduct from the coal power industry. As society moves towards fossil-free production, the availability of fly ash is expected to decrease, and materials with similar properties are being investigated as alternative binders in concrete.  The purpose of the study is to investigate, through literature review and laboratory tests, whether natural pozzolans can replace the amount of fly ash in a cement composition without deteriorating the strength properties of the concrete. The compressive strength and strength development have been studied on 150x150x150 mm test cubes with varying amounts of fly ash and volcanic ash from Icelandic pumice and Jordanian tuffs. The goal of the study is to reduce the amount, or preferably replace the entire portion, of fly ash in a climate-improved concrete composition. The laboratory tests have been performed according to Swedish standards, where a total of 48 test specimens have been cast. The reference cube in the study consists of 80% Portland limestone cement and 20% fly ash. A total of 6 different combinations of test cubes have been cast, where the proportion of fly ash is replaced with 20%, 15%, or 10% volcanic ash. Each test cube has been subjected to compressive strength measurement after 2, 7, and 28 days. The results of the compression testing showed that the test cubes containing Icelandic pumice provided increased or unchanged strength at all measurements, compared to the reference cube. However, the test cubes containing Jordanian tuffs resulted in a reduction of strength at all measurements, compared to the reference cube. The test cubes containing volcanic ash from Icelandic pumice provided the highest final strength when no fly ash was present in the composition, and slightly lower values when fly ash was added, unlike the test cubes containing volcanic ash from Jordanian tuffs which essentially plateaued in their strength development after 7 days without fly ash. The difference in results between volcanic ash from pumice and tuffs suggests that the type and origin of the material are significant factors in how they perform as a binder in concrete.

In 2017, the Swedish Parliament stated a new climate law with the goal that Sweden should be climate neutral by 2045. The concrete industry has developed a roadmap on how the goal for 2045 can be achieved, where one way to reduce the carbon emissions from concrete is by replacing a part of the cement clinker with alternative binders in the concrete mix. Ground granulated blast furnace slag (GGBS), fly ash, silica fume and trass are alternative binders that are possible to use in concrete mixes to reduce the amount of ordinary Portland cement (OPC). GGBS, fly ash and silica fume are by-products from other industries, while trass is volcanic ash that can be extracted. Besides the positive environmental impact that comes from using alternative binders and reducing the amount of cement clinker, the alternative binders have other properties, both positive and negative, that affect the concrete. The aim of this thesis was to investigate whether concrete with alternative binders does fulfill the regulations set by Swedish standards and how concrete with alternative binders does affect the material parameters. The concrete mixes were divided into three different types of concrete: concrete for bridges (w/c ratio 0.4), hydropower structures (w/c ratio 0.45) and wind powerplant foundations (w/c ratio 0.55). A total of seven concrete mixes were cast in a laboratory and the concrete mixes were investigated in the three hardening stages of concrete: fresh, young and hardened. The analyzed material parameters were compressive strength, shrinkage, frost resistance, workability, air voids and temperature development. Beyond the experimental testing, a global warming potential (GWP) comparison was made to compare the reduction of GWP for each concrete mix compared to a reference concrete for each usage area. The mix containing a CEM II/A-V fly ash cement and 15% GGBS showed great potential regarding the different material parameters. This mix, however, is according to Swedish standards not possible to certify for structures in exposure class XF4, such as bridges, but is possible to certify for structures in exposure class XF3, such as wind powerplant foundations. The mix containing 30% GGBS and 5% silica fume also showed beneficiary properties, but superplasticizers are required in this mix to ensure good workability. For hydropower structures, the mix containing 35% GGBS showed a great compressive strength but a high temperature development and low workability. The mix containing trass had a notably low temperature development, but with an increase in shrinkage and low workability. Moreover, all concrete mixes showed a frost resistance which, according to standard, is classified as “Very Good”. / Sveriges regering antog 2017 ett nytt klimatpolitiskt ramverk med målet att Sverige ska ha noll nettoutsläpp av växthusgaser år 2045. Betongindustrin har tagit fram en färdplan för hur betong kan bli klimatneutralt, där ett sätt att reducera klimatpåverkan från betong är att byta ut en del av cementklinkern mot alternativa bindemedel. Mald granulerad masugnsslagg (GGBS), flygaska, silikastoft och trass är alternativa bindemedel som är möjliga att använda i betongblandningar för att reducera mängden Portlandcement. GGBS, flygaska och silikastoft är restprodukter från andra industrier medan trass är en vulkanisk aska som kan utvinnas. Utöver den positiva miljöeffekten som erhålls när alternativa bindemedel ersätter cementklinker, så har de alternativa bindemedlen andra egenskaper, både positiva och negativa, som påverkar betongen. Målet med denna studie var att undersöka och jämföra om betongblandningar där en del av cementklinkern har ersatts med alternativa bindemedel når upp till de krav som ställs i nuvarande regelverk. Utöver det så undersöktes även hur betongblandningarnas materialparametrar påverkades av alternativa bindemedel. Betongblandningarna delades in i tre olika typer av betong: betong för broar (vct 0.4), vattenbyggnader (vct 0.45) och vindkraftverksfundament (vct 0.55), där totalt sju betongblandningar tillverkades i ett laboratorium. Betongblandningarna undersöktes i de tre olika faserna för hårdnande av betong, vilka är färsk, ung och hårdnad betong. De materialparametrar som analyserades var tryckhållfasthet, krympning, frostresistens, arbetbarhet, luftporhalt och temperaturutveckling. Förutom de experimentella testerna gjordes en jämförelse kring hur mycket koldioxid som kan reduceras för varje betongblandning, jämfört med en referensbetong för varje användningsområde. Betongblandningen med ett CEM II/A-V flygaska-cement och 15% GGBS visade stor potential med avseende på de olika materialparametrarna. Denna blandning är dock enligt svensk standard inte möjlig att certifiera för betongbyggnad i exponeringsklass XF4, exempelvis broar, men kan certifieras för betongbyggnad i exponeringsklass XF3, exempelvis fundament för vindkraftverk. Blandningen med 30% GGBS och 5% silikastoft visade även positiva egenskaper, men flyttillsatsmedel måste användas i denna blandning för att erhålla en god arbetbarhet. För vattenbyggnadsbetong så visade blandningen med 35% GGBS en hög tryckhållfasthet, men samtidigt en hög temperaturutveckling och en låg arbetbarhet. Blandningen med trass hade en noterbart låg temperaturutveckling, men med ökad krympning samt låg arbetbarhet. Avslutningsvis så uppvisade alla blandningar en frostresistens som enligt standard klassificeras som ”Mycket bra”.